基于有限元的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析

楊勇明

(上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心，上海200093)

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基于有限元的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析

楊勇明

(上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心，上海200093)

針對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，由于動(dòng)載荷沖擊引起振動(dòng)變形和使用壽命等問(wèn)題，文中提出基于有限元分析的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析研究，使用實(shí)驗(yàn)與仿真的方法，采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析，提取自由振動(dòng)下的固有頻率和振型，進(jìn)行仿真分析與結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)行合理的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析，并且提取合理的模態(tài)分析參數(shù)，對(duì)于蝸輪蝸桿的可靠性研究具有重要性。

傳動(dòng)性能；ANSYS Workbench；模態(tài)分析；可靠性

蝸輪蝸桿作為一種重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，專門(mén)用于傳遞空間交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，利用速度轉(zhuǎn)換器將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)降低到需要的回轉(zhuǎn)數(shù)，可以獲得較大轉(zhuǎn)矩，起到降低電機(jī)回轉(zhuǎn)數(shù)增加輸出扭矩的作用[1]。當(dāng)電機(jī)回轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，由于蝸輪蝸桿嚙合處存在相對(duì)滑動(dòng)和動(dòng)載荷沖擊等因素，容易引起蝸輪蝸桿的振動(dòng)，甚至影響蝸輪蝸桿的使用壽命[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出基于有限元的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析研究，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析蝸輪蝸桿的傳動(dòng)性能，可以有效地提升蝸輪蝸桿的安全性和可靠性。

1　蝸輪蝸桿建模

本文研究的WPA40型蝸輪蝸桿減速器，主要由蝸輪、蝸桿、軸承、箱體、端蓋等零部件組成[3]，在保證聯(lián)接剛度和質(zhì)量分布正確性的前提下，利用Solidworks完成WPA40型蝸輪蝸桿減速器三維建模，圖1所示為WPA40型蝸輪蝸桿減速器三維模型。

2　蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析

本文研究的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，在激振力作用下，通過(guò)對(duì)蝸輪蝸桿進(jìn)行多點(diǎn)激振單點(diǎn)拾振的方法，采集蝸輪蝸桿拾取點(diǎn)上的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)提取的模態(tài)參數(shù)來(lái)表示分析結(jié)果[4]，圖2所示為本文提出基于有限元的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析流程圖。(1)將蝸輪蝸桿三維模型導(dǎo)入ANSYS Wokbench平臺(tái)；(2)根據(jù)實(shí)際情況，利用Wokbench Modal模塊的Engineering Data對(duì)蝸輪蝸桿各零件進(jìn)行材料定義，表1所示為 WPA40型蝸輪蝸桿減速器各零件材料參數(shù)；

圖1　WPA40型蝸輪蝸桿減速器三維模型

圖2　蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析流程圖

零件材料密度/kg·cm-1彈性模量/GPa泊松比蝸輪ZCuAl10Fe37500109.80.335蝸桿40#7850213.50.30軸承GCr1578302190.30軸45#78502100.31箱體端蓋HT20073301480.31

(3)根據(jù)實(shí)際工況，蝸輪蝸桿的接觸區(qū)域主要位于蝸輪與蝸桿、軸與軸承、軸承與端蓋之間[5]，通過(guò)Workbench的Size命令和Contact Size命令減小接觸區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格尺寸，加密接觸區(qū)域單元格數(shù)，進(jìn)而提高分析精度。本文利用系統(tǒng)提供的網(wǎng)格自動(dòng)劃分法，對(duì)蝸輪蝸桿模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果圖3所示；

圖3　蝸輪蝸桿網(wǎng)格劃分圖

(4)利用Workbench的線性接觸Bounded、No Separation和非線性接觸Frictionless、Frictional及Rough對(duì)實(shí)際工況中蝸輪蝸桿的接觸類型進(jìn)行定義，結(jié)果如表2所示；

表2　蝸輪蝸桿接觸類型定義

(5)在ANSYS Workbench的模態(tài)求解方法中，選用精度高、收斂速度快的分塊蘭索斯法[6]實(shí)現(xiàn)蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析的求解過(guò)程。根據(jù)低階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)影響較大，高階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響相對(duì)較小的原則[7]，本文選擇低頻范圍內(nèi)的模態(tài)特征參數(shù)，提取得到各階模態(tài)的固有頻率和振型后，即可完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與對(duì)比。

3　蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖4所示為蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由機(jī)械部分和控制部分組成，機(jī)械部分包括伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、磁粉制動(dòng)器和轉(zhuǎn)矩控制等系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)中典型設(shè)備的參數(shù)介紹[8]，如表3所示。

圖4　蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

名稱型號(hào)性能脈沖錘9724A20000～2000N采集系統(tǒng)NIUSB-44315通道,24位分辨率分析系統(tǒng)ModalVIEWVersionR2Rev2012.02加速度傳感器KISTLER8688A50靈敏度x=95.8,y=104.1,z=98.9

將WPA40型蝸輪蝸桿減速器用橡皮繩懸掛在剛性較大的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，使其處于自由狀態(tài)[9]，并且定義X方向平行于蝸桿的軸向，Y方向平行于蝸輪的軸向，Z方向垂直于工作臺(tái)平面方向。如圖5和圖6所示，在箱體上選擇能夠反映蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的測(cè)試點(diǎn)18個(gè)以及拾振點(diǎn)1個(gè)，實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖榧?lì)點(diǎn)變化拾振點(diǎn)不變，對(duì)X、Y和Z這3個(gè)方向的加速度信號(hào)進(jìn)行采集、顯示與保存。

圖5　蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)測(cè)試點(diǎn)示意圖

圖6　拾振點(diǎn)選取圖

3.2實(shí)驗(yàn)分析

利用Wokbench的ModalVIEW模塊，將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，求出0～2 000 Hz范圍內(nèi)的前十階低頻振型和固有頻率，并且與模態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如表4和表5所示。

表4　振型結(jié)果比較

表5　固有頻率結(jié)果比較

由表4和表5可知，蝸輪蝸桿在各階模態(tài)下，蝸輪軸、蝸桿軸和箱體均發(fā)生振動(dòng)變形，兩軸端側(cè)因?qū)儆趹冶鄄贾?，外部激?lì)對(duì)其影響較大，并且低階模態(tài)上實(shí)驗(yàn)振型和仿真振型較好吻合，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果值基本保持一致。

如表6所示，將自由實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的固有頻率值和蝸輪蝸桿工作狀態(tài)的固有頻率進(jìn)行比較[10]可知，WPA40型蝸輪蝸桿1 500 r/min恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)給蝸輪施加不同的載荷時(shí)，固有頻率隨著載荷頻率的增加而增大，當(dāng)載荷達(dá)到15 N·m，蝸輪蝸桿的工作頻率與固有頻率非常相近，易產(chǎn)生共振，所以15 N·m載荷的加載時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則容易造成蝸輪蝸桿損壞。

表6　不同試驗(yàn)狀態(tài)下固有頻率值的比較

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于有限元的蝸輪蝸桿傳動(dòng)性能模態(tài)分析研究，采用仿真與實(shí)驗(yàn)的方法，主要解決渦輪蝸桿傳動(dòng)過(guò)程中由于動(dòng)載荷沖擊造成減速器發(fā)生振動(dòng)變形等問(wèn)題，所以開(kāi)展合理的模態(tài)分析，提取合理的模態(tài)參數(shù)，對(duì)于蝸輪蝸桿減速器的可靠性研究十分重要。

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Modal Analysis of Worm Gear Transmission Performance by the Finite Element Method

YANG Yongming

(Public Experiment Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A modal analysis of worm gear transmission performance based on finite element method is proposed to reduce the vibration deformation caused by dynamic load in a worm gear transmission system for longer service life. The ANSYS Workbench is used for modal analysis of worm gear transmission performance to extract the free vibration natural frequencies and vibration types. Experimental results show that a reasonable modal analysis of worm gear transmission performance and the extraction of rational parameters of are of great importance to the reliability of the worm gear.

transmission performance; ANSYS Workbench; modal analysis; reliability

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.024

2016-03-10

楊勇明(1986-)，男，碩士，講師。研究方向：機(jī)器人技術(shù)。

TP391.9

A

1007-7820(2016)08-082-04